Измерение отношения концентраций 13СО2/12СО2 в выдыхаемом воздухе методом диодной лазерной спектроскопии Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Краткие сообщения по физике ФИАН

номер 6, 2010 г.

ИЗМЕРЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ 13CO2/12CO2 В ВЫДЫХАЕМОМ ВОЗДУХЕ МЕТОДОМ ДИОДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Е. С. Мирончук

Предложен метод определения относительного содержания изотопов 13C/12C по колебательно-вращательному спектру поглощения, молекул С02 в диапазоне вблизи 2 мкм. Использование всей области перестройки диодного лазера, (~7 см,-1) и многомерной линейной регрессии для, аппроксимации спектра позволяют проводить ■измерения, при атмосферном, давлении. Дополнительная, стабилизация, частоты, лазера осуществляется, посредством, вариации тока инжекции. Предельная, чувствительность установки, определяемая, по графику квадрата дисперсии Алана, составляет 0.03% 2

элементов, охлаждаемых жидким азотом, и может быть использована в медицинской диагностике.

Ключевые слова: диодная лазерная спектроскопия, изотопы, линейная регрессия, график Алана.

Одной из важных областей применения изотопического анализа газообразного С02 является диагностика гастроэнтерологических заболеваний по относительному содержанию 13С02/12С02 в выдохе человека. Для использования в медицинских целях измерительный прибор должен, помимо компактности и простоты в использовании, обладать селективностью по отношению к другим компонентам воздуха и чувствительностью к относительному изменению изотопного состава на уровне 0.05%.

В данной работе используется трёхканальная схема на основе перестраиваемого диодного лазера (ПДЛ). генерирующего в области 2 мкм. подробно описанная в [1]. Кроме аналитического канала, детектирующего поглощение в исследуемом газе, использовались: базовый канал для учета вариаций интенсивности лазерного излучения, а также опорный канал, регистрирующий спектр поглощения чистого С02 (p ~ 70 Topp) для

E-mail: [email protected]

номер 6, 2010 г.

Краткие сообщения по физике ФИАН

точного определения положения узких пиков поглощения. Все элементы не требуют криогенного охлаждения, а измерения проводятся при атмосферном давлении, что исключает возможность изменения изотопического состава при разрежении газа.

Рис. 1: График квадрата дисперсии Алана для 12 С02/13 С02 в смеси С02 с атмосферным воздухом.

Ключевым отличием от других работ на данную тематику является использование многомерной линейной регрессии, позволяющей работать с переналоженными спектрами и сильно различающимися интенсивностями линий поглощения изотопов (в 70 раз на избранном спектральном участке). Экспериментальный сигнал аппроксимируется суммой спектров поглощения молекулярных компонент, смоделированных для условий эксперимента при помощи базы данных Н1Т11АМ, и полинома третьей степени, Р(3) (у), учитывающего различие формы базовой линии в аналитическом (10 (V)) и базовом (13 (у)) каналах. После этого закон Бугера-Ламберта-Бера приобретает вид:

1пЛ (V) =1п 1з (V) + аг0 (V )Ь) + Р(3) (V).

г

Здесь аг0(V) = пг0аг(V) - коэффициент поглощения г-ой газовой компоненты при заданных концентрациях пг0,аг(V) - сечение поглощения, Ь - длина оптического пути в кювете с газом-поглотителем. Коэффициенты регрессии кг(V) определяют концентрации газовых компонент.

При измерениях с высокой чувствительностью становится существенным дрейф частотного диапазона генерации ПДЛ со временем. Для его учета была введена обратная связь в схему контроля тока инжекции: при изменении средней частоты излучения лазера за серию из 2-15 последовательных импульсов по сравнению с предыдущей серией

Краткие сообщения по физике ФИАН

номер О, 2010 г.

к току инжекции добавлялся соответствующий постоянный сдвиг в следующей серии импульсов.

Эксперимент проводился в смеси 3.5% С02 (характерная КОНЦ6НТрция для выды~~ хаемого человеком воздуха) с атмосферным воздухом для определения предельных параметров системы. Оптимальное время усреднения и соответствующая погрешность находились по графику квадрата дисперсии Алана (рис. 1). В выдохе она составила 0.04%; за 6 мин усреднения, в приготовленной смеси 0.03%; за 2 мин. Абсолютное значение отношения 12С02/13С02 в разных экспериментах находилось в пределах 88-92, что согласуется с известными стандартами.

Таким образом, предложен высокочувствительный метод определения отношения 13 2/12 2

динской диагностики гастроэнтерологических заболеваний по выдыхаемому воздуху.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Е. С. Мирончук, И. В. Николаев, В. Н. Очкин и / [р., Квантовая электроника 39(4). 388 (2009).

По материалам 3 Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных ■исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.

Поступила в редакцию 21 мая 2010 г.